“新工科”背景下機械工程測試技術(shù)課程教學(xué)改革

方從富，李遠(yuǎn)

（華僑大學(xué) 機電及自動化學(xué)院，福建 廈門）

一 引言

“新工科”是為應(yīng)對國際競爭新形勢和滿足國家戰(zhàn)略新需求而提出的新型工程教育模式，其核心是科學(xué)、人文、工程的交叉融合，培養(yǎng)新時代發(fā)展需求的“新工科”創(chuàng)新人才[1]。戰(zhàn)略性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)性和開放性是“新工科”的基本特征，建設(shè)任務(wù)的重點是教、學(xué)、實踐和創(chuàng)新[2]。課程作為“新工科”人才培養(yǎng)的核心要素，它是影響學(xué)生發(fā)展最直接的中介和變量，課程教學(xué)質(zhì)量將直接影響人才培養(yǎng)的質(zhì)量。隨著“新工科”教育改革的不斷推進(jìn)，需要進(jìn)一步深化課程教學(xué)改革，以應(yīng)對“新工科”人才的培養(yǎng)需求。

機械工程是以自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)為理論基礎(chǔ)，研究和解決與機械和動力生產(chǎn)有關(guān)的應(yīng)用學(xué)科。隨著我國工業(yè)自動化、信息化和智能化發(fā)展水平的逐漸提高，需要運用測試技術(shù)來完成大量的信息檢測、信息提取和信息控制任務(wù)，既服務(wù)于國家戰(zhàn)略需求，又服務(wù)于百姓智慧生活。機械工程測試技術(shù)正是這門以機械工程需求為背景、以測試技術(shù)為手段、以獲取有用信息為根本任務(wù)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，其特點一是多學(xué)科交叉融合性，涉及電子、信息、計算機、機械、物理、數(shù)學(xué)等多學(xué)科；二是厚基礎(chǔ)理論性，涉及信號和測試系統(tǒng)等基礎(chǔ)理論知識；三是較強實踐創(chuàng)新性，涉及傳感器、典型機械量測量和虛擬儀器等工程應(yīng)用。理論和實踐是學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識的重要基礎(chǔ)，也是能力和素質(zhì)培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。隨著機械行業(yè)的快速發(fā)展，尤其是信息技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)等的高速發(fā)展，測試技術(shù)的新知識、新內(nèi)容和新方法也在不斷涌現(xiàn)，測試技術(shù)課程在機械制造業(yè)信息化和人才培養(yǎng)中起著越來越重要的作用。為適應(yīng)“新工科”發(fā)展背景和需求，培養(yǎng)符合機械工程行業(yè)需求的高素質(zhì)工程人才，需要立足于教、學(xué)、實踐和創(chuàng)新改革重點，亟待深化改革機械工程測試技術(shù)課程教學(xué)[3]。在原有的課程內(nèi)容、實驗環(huán)節(jié)、教學(xué)方法和考核方式等基礎(chǔ)上，增添重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，合理設(shè)計實驗環(huán)節(jié)，優(yōu)化改進(jìn)教學(xué)方法，完善課程考核體系，從而提升課程教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，進(jìn)而實現(xiàn)知識能力素質(zhì)一體化培養(yǎng)。

二 課程構(gòu)成與教學(xué)中面臨的問題

以往機械工程測試技術(shù)課程構(gòu)成主要包括理論和實驗兩大部分內(nèi)容，其中理論部分包括緒論、信號基礎(chǔ)、測試系統(tǒng)基本特性、傳感器測量原理、信號調(diào)理技術(shù)、信號處理技術(shù)、信號記錄與處理、位移測量、力測量、溫度測量、振動測量共十一個部分內(nèi)容；實驗部分包括現(xiàn)代測試系統(tǒng)、LabVIEW編程和虛擬實驗三個部分內(nèi)容。教學(xué)所用教材為熊詩波主編的《機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》，該教材由緒論、信號及其描述、測試裝置的基本特性、常用傳感器與敏感元件、信號的調(diào)理與記錄、信號處理初步、測量儀器與數(shù)字接口、智能儀器與虛擬儀器、位移測量、振動測量、聲學(xué)測量、應(yīng)變/力/扭矩測量、流體參數(shù)測量共十三個章節(jié)。根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容和所用教材，在教學(xué)過程中面臨以下問題。

（一） 課程內(nèi)容龐雜難學(xué)，教材內(nèi)容相對滯后

教學(xué)中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)起來困難，探求其原因主要包括兩點：其一是課程理論較為厚重，理論與實驗聯(lián)系不緊密。在信號分析基礎(chǔ)和測試系統(tǒng)特性教學(xué)中，由于理論知識涉及公式推演，知識抽象不直觀，學(xué)生學(xué)習(xí)較為吃力，知識掌握不夠熟練[4]。在傳感器測量原理、信號調(diào)理技術(shù)等后續(xù)章節(jié)學(xué)習(xí)中，課程知識點分散冗雜，且涉及基本理論知識的靈活運用，學(xué)生對知識駕馭度不夠，難以從信號主線的角度融合運用理論知識和實驗知識。其二是教材內(nèi)容滯后，且各章節(jié)聯(lián)系不夠緊密，內(nèi)容更加分散雜亂，學(xué)生自主學(xué)習(xí)效果不理想。究其原因是龐雜難學(xué)的課程內(nèi)容往往讓學(xué)生難以清楚認(rèn)知課程教學(xué)主線，造成學(xué)生學(xué)習(xí)知識的割裂感和難度，進(jìn)而影響學(xué)生對知識的掌握度和駕馭度。

（二） 實驗環(huán)節(jié)過于單一，創(chuàng)新訓(xùn)練相對缺乏

在以往的課程教學(xué)中，實驗環(huán)節(jié)主要是以虛代實或以實代虛。特別是以虛代實的實驗環(huán)節(jié)，主要通過虛擬儀器LabVIEW等軟件進(jìn)行編程仿真實驗，由于多為驗證性仿真實驗，教學(xué)內(nèi)容主要集中在對編程操作步驟的講解，仿真內(nèi)容也是根據(jù)設(shè)計好的實驗方案進(jìn)行講解，學(xué)生機械化完成虛擬仿真實驗，這雖然有助于課程知識的理解，但是缺乏實踐創(chuàng)新的培養(yǎng)[5]。不論是以虛代實還是以實代虛的實驗環(huán)節(jié)，都會讓學(xué)生割裂虛擬儀器仿真與實際操作間的聯(lián)系，學(xué)生往往知其然而不知其所以然，難以有效培養(yǎng)學(xué)生的主動思考能力和創(chuàng)新訓(xùn)練能力，實驗環(huán)節(jié)訓(xùn)練效果往往不甚理想。

（三） 教學(xué)方法形式傳統(tǒng)，思維訓(xùn)練引導(dǎo)不夠

以往的機械工程測試技術(shù)課程還是以教師為中心進(jìn)行課程教學(xué)，教學(xué)形式主要以板書、PPT和傳感器實物等對教材進(jìn)行講解教學(xué)。課堂教學(xué)由教師對全體學(xué)生進(jìn)行理論講解，這雖然能有效把握教學(xué)進(jìn)度和控制課堂節(jié)奏，但易產(chǎn)生“填鴨式”教學(xué)，缺乏引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維能力鍛煉。雖然教師也在課堂以提問和探討等方式與學(xué)生進(jìn)行交流，但是學(xué)生往往難以跟上教師節(jié)奏，這不但造成不少學(xué)生對不理解的知識缺乏提問的意識和勇氣，也造成被提問的學(xué)生難以有效回答問題。長此以往，整個教學(xué)過程中學(xué)生的知識吸取和思維訓(xùn)練將無法得到有效的保障，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣逐漸缺失，也易形成課堂低頭族、手機族等不良學(xué)風(fēng)。

（四） 課程思政重視不夠，素質(zhì)培養(yǎng)相對缺失

在落實立德樹人教育中，培養(yǎng)什么人、怎么培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人是人才培養(yǎng)的關(guān)鍵核心，明確指出價值觀塑造是第一要務(wù)[6]。然而，在以往的機械工程測試技術(shù)課程教學(xué)中，雖然教師在測試技術(shù)概述部分進(jìn)行了測試技術(shù)地位與重要作用介紹，并用案例圖片等進(jìn)行展示教學(xué)，但缺乏讓學(xué)生參與其中的代入感和責(zé)任感，且在后續(xù)課程教學(xué)中主要講授課程知識本身和實踐能力培養(yǎng)，很少涉及價值觀方面的引導(dǎo)和培養(yǎng)。雖然課程教學(xué)中也會涉及部分思政教育，但是課程思政主線不明，對學(xué)生價值觀的塑造效果不理想。

（五） 課程考核體系僵化，綜合能力難以體現(xiàn)

根據(jù)新時代高等教育的要求，課程考核應(yīng)該以知識、能力、素質(zhì)作為衡量學(xué)生學(xué)習(xí)成績的唯一標(biāo)準(zhǔn)。在以往的課程考核中，學(xué)生成績以期末考試成績?yōu)橹鳎s占總成績的70%，而平時成績是以課程作業(yè)和課程實驗為主，約占總成績的30%。在平時成績考核中，課程作業(yè)存在參考抄襲，課程實驗只求完成，學(xué)生心中只考慮保證平時的基本成績，根本不考慮知識掌握度和實驗創(chuàng)新。在期末考試前，學(xué)生往往會死記硬背課程知識和典型例題，只求在期末考試中取得好成績，至于課程知識是否真正掌握，往往不予關(guān)注。在期末考試季，學(xué)生在教室進(jìn)行通宵達(dá)旦的復(fù)習(xí)場景屢見不鮮。這種僵化的考核體系扼殺了學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，也對平時認(rèn)真學(xué)習(xí)思考和創(chuàng)新的學(xué)生不公平，他們最終的課程成績很可能比不上死記硬背的學(xué)生。為了體現(xiàn)學(xué)生的綜合能力，建立多元化和全程化考核方式是十分必要的[7]。

三 課程教學(xué)改革思路

針對機械工程測試技術(shù)課程構(gòu)成特點和教學(xué)中存在的問題，立足教學(xué)、實踐、創(chuàng)新的改革重點，從課程內(nèi)容、實驗教學(xué)、教學(xué)方法、考核形式等角度對該課程進(jìn)行教學(xué)改革。

（一） 重構(gòu)課程內(nèi)容，融入課程思政

面對龐雜難學(xué)的教材內(nèi)容，結(jié)合傳感器測試技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，從信號主線出發(fā)，立足信息獲取的課程任務(wù)和立德樹人的教學(xué)任務(wù)，將教學(xué)內(nèi)容和思政內(nèi)容融為一體，最終課程內(nèi)容重塑為六個章節(jié)模塊，分別為測試技術(shù)概述、測試信號基礎(chǔ)、信號測試系統(tǒng)與傳感器、信號調(diào)理與處理技術(shù)、典型機械量測量和虛擬儀器與應(yīng)用。總學(xué)時36，其中理論30學(xué)時，實驗6學(xué)時。課程內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計安排如表1。

表1 課程教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)設(shè)計安排

在結(jié)構(gòu)上，課程六個章節(jié)模塊內(nèi)容整體上呈現(xiàn)總分總結(jié)構(gòu)，其中第一章測試技術(shù)概述為總，重點介紹工程測試目的、需求、應(yīng)用和發(fā)展，并通過引入日常民生、國家需求和科技前沿等案例素材，如抗疫巡邏機器人溫度測量、智能手機傳感檢測、陸海空對地立體探測技術(shù)、可穿戴汗液檢測技術(shù)等，讓學(xué)生建立課程的測試觀，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動力，樹立學(xué)生的家國情懷和責(zé)任擔(dān)當(dāng)；第二章測試信號基礎(chǔ)、第三章信號測試系統(tǒng)與傳感器和第四章信號調(diào)理與處理技術(shù)為分，以理論教學(xué)為主，主要講授信號基礎(chǔ)、測試系統(tǒng)特性、傳感器原理和信號調(diào)理與處理等理論知識，并穿插具體應(yīng)用場景，讓理論學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用緊密聯(lián)系起來，如信號時頻域分析的波形識別、主軸轉(zhuǎn)速測量、機床振動監(jiān)測，測試系統(tǒng)分析的麥克風(fēng)尖銳聲、橋梁固有頻率測量、測力儀零漂，信號調(diào)制處理的電視圖像扭曲、手機通話聲音不穩(wěn)定、信號遠(yuǎn)距離/無線傳輸?shù)鹊龋寣W(xué)生從信號的角度出發(fā)，掌握信號特征、測試系統(tǒng)特性、傳感器原理和信號調(diào)理處理等理論知識，樹立信號思考意識，培養(yǎng)工程意識、系統(tǒng)思維和鉆研精神；第五章典型機械量測量和第六章虛擬儀器與應(yīng)用為總，以實際運用和實驗教學(xué)為主，主要教學(xué)振動、力、溫度等典型機械量測量和虛擬儀器LabVIEW編程應(yīng)用，實驗環(huán)節(jié)采用虛實結(jié)合的方式進(jìn)行，實操實驗讓學(xué)生測量實際信號，虛擬實驗讓學(xué)生編程分析信號，從而讓學(xué)生從總體上完成整個測試過程，實現(xiàn)學(xué)中做和做中學(xué)，融會貫通課程龐雜知識體系，培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)和實踐創(chuàng)新能力。

（二） 改革實驗教學(xué)，采用虛實相濟(jì)

針對以往的單一實驗教學(xué)或虛擬仿真教學(xué)，課程實驗采用虛實結(jié)合的方式進(jìn)行實驗環(huán)節(jié)改革。在第五章教學(xué)后期中，設(shè)計4課時的實驗教學(xué)內(nèi)容，以典型數(shù)控車削加工為對象，以加工過程典型力、溫度、振動等機械量進(jìn)行測試實驗，考查學(xué)生對測試環(huán)境、測試需求、傳感器、測試系統(tǒng)等分析選擇，采集正確的測試信號；在學(xué)習(xí)第六章內(nèi)容后，利用2課時進(jìn)行LabVIEW圖形化編程，完成測試信號分析，并給出合理的測試結(jié)論。虛實結(jié)合實踐環(huán)節(jié)能夠?qū)⑿盘枩y試過程和信號分析過程進(jìn)行有機聯(lián)系，讓學(xué)生能夠從完成整體測試的角度體驗測試過程，這對課程知識的理解運用具有重要現(xiàn)實意義。由于課程實驗是從課題研究轉(zhuǎn)化而來，學(xué)生能夠真實感受科學(xué)研究帶來的新鮮感，激發(fā)科研創(chuàng)新興趣[8]。此外，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒灢僮饔?xùn)練和細(xì)致的數(shù)據(jù)分析，還可以培養(yǎng)學(xué)生踏實鉆研的工匠精神和小組團(tuán)隊的協(xié)作能力。

（三） 改革教學(xué)方法，采用多樣教學(xué)

針對以往以板書、PPT、實物展示等教學(xué)方法帶來的不足，結(jié)合學(xué)生實際學(xué)習(xí)情況，從教學(xué)形式和教學(xué)方法上進(jìn)行多樣化改革。在教學(xué)形式上，主要采用課堂理論教學(xué)、實驗操作教學(xué)、小組報告、師生互動、生生互動和生生協(xié)作等形式，打破沉默課堂，激發(fā)學(xué)生興趣，將知識輸入轉(zhuǎn)變?yōu)橹R輸出，突出思維鍛煉、能力培養(yǎng)和價值觀塑造。

在課程教學(xué)過程中，根據(jù)每個章節(jié)模塊的教學(xué)任務(wù)設(shè)置不同的測試需求場景案例，采用問題引導(dǎo)、討論互動、報告交流等方式進(jìn)行課程教學(xué)。在第一章節(jié)模塊中，在解釋測試技術(shù)相關(guān)概念后，從百姓智慧生活到國家航空航天，利用空氣質(zhì)量檢測、人體溫度測量、智能電子產(chǎn)品、生產(chǎn)過程檢測、航天軍事監(jiān)測、學(xué)生科創(chuàng)作品等具體案例的展示交流，讓學(xué)生從具體測試需求場景中體會測試技術(shù)的重要性，激發(fā)學(xué)習(xí)激情，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，樹立家國情懷和責(zé)任擔(dān)當(dāng)。在第二到第四章節(jié)模塊中，針對理論難以理解的問題，如信號調(diào)制與解調(diào)過程，一方面通過直觀演示和問答交流，感受公式推導(dǎo)過程以及公式背后的物理意義和適用范圍；另一方面通過動態(tài)應(yīng)變測量、機車調(diào)度信號檢測等工程問題的討論、聚焦、抽象和提純，感受實際問題背后隱含的公式原理，從而將理論公式與工程問題建立聯(lián)系，讓枯燥的知識顯得有血有肉，在傳授知識的同時，也培養(yǎng)學(xué)生工程意識和嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度。在第五和第六章節(jié)模塊中，主要教學(xué)測試技術(shù)的應(yīng)用，如典型機械量測量和實驗訓(xùn)練。針對典型機械量測量，因機械量眾多，不同場景測試同種機械量的方式也不盡相同，如溫度測量場景就有切削溫度、磨削溫度、人體溫度、大氣溫度，等等，課堂上無法逐一講解。故，在教學(xué)中，通常選取兩到三個典型機械量，進(jìn)行需求分析、傳感器選擇、測試系統(tǒng)搭建和測試實施等內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生如何針對具體場景進(jìn)行思考分析，并開展測試工作。然后，對學(xué)生進(jìn)行4～6人分組，每組根據(jù)選題進(jìn)行準(zhǔn)備和匯報，其他組的同學(xué)負(fù)責(zé)提問，教師最后點評并記錄學(xué)生參與情況。這種教學(xué)形式可以很好地提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、探索性和創(chuàng)新性，學(xué)習(xí)氛圍濃烈。在實驗訓(xùn)練部分，根據(jù)前面的分組，采用虛實相濟(jì)的形式進(jìn)行車削過程測力測溫綜合實驗，學(xué)生間能夠良好協(xié)作互動，動手能力和信號分析能力得到有效鍛煉，增強了學(xué)生對課程知識的理解和運用，也培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)。

（四） 改革考核標(biāo)準(zhǔn)，建立多元體系

針對以往期末考試為主、作業(yè)實驗考核為輔的考核形式，課程考核成績采用期末考試和過程考核并重的原則，進(jìn)一步加大過程考核比例，將期末考試成績占比降為60%，過程考核成績占比提升至40%。在期末考試環(huán)節(jié)，設(shè)置選擇題、填空題、簡答題、分析題和綜述題五類題型，其中選擇題、填空題、簡答題以理論知識掌握為主，分析題和綜述題以知識應(yīng)用為主，并且考題選擇緊密聯(lián)系社會實際，融入思政教育元素，如農(nóng)業(yè)扶貧的溫室測試、新能源汽車的診斷測試、工程橋梁渦振、軍用步話機原理等等。在過程考核環(huán)節(jié)，將課堂出勤作為常規(guī)項，實行扣分不加分原則。過程考核主要涉及四個部分：其一是課程作業(yè)，以作業(yè)提交情況和完成度作為依據(jù)，占過程考核10%；其二是課堂表現(xiàn)，以課堂參與提問、互動、交流情況作為依據(jù)，占過程考核20%；其三是小組報告，以小組分工和小組報告質(zhì)量作為依據(jù)，占過程考核20%；其四是綜合實驗，以實際實驗操作和虛擬實驗分析情況作為依據(jù)，占過程考核50%。通過課堂出勤、課程作業(yè)、課程表現(xiàn)、小組報告、綜合實驗和期末考試六個層面，建立一套多元化的課程考核體系，可以更為有效地體現(xiàn)學(xué)生的綜合能力，更加契合知識、能力和素質(zhì)的一體化培養(yǎng)目標(biāo)。

四 課程教學(xué)改革成效

對機械工程測試技術(shù)課程進(jìn)行課程內(nèi)容、實踐環(huán)節(jié)、教學(xué)方法和課程考核等方面進(jìn)行深化改革，其主要目的是打破沉默課堂、轉(zhuǎn)教為學(xué)、加強知識能力素質(zhì)的培養(yǎng)。近年來，通過課程教學(xué)的持續(xù)深化改革，學(xué)生學(xué)習(xí)激情明顯提高，針對不懂的知識和實際問題，不少學(xué)生通過微信、QQ以及面聊等各種方式進(jìn)行詢問交流。課程考核成績較以前也有較大提升，尤其是在具體問題分析上，經(jīng)常會有較為新穎的觀點。由科研課題轉(zhuǎn)化的虛實相濟(jì)實驗也大大激發(fā)學(xué)生的科研興趣，參與本碩培養(yǎng)的學(xué)生比例增加，部分學(xué)生在大四就已正式進(jìn)入課題組，進(jìn)行科學(xué)研究。學(xué)生參與科創(chuàng)的激情也明顯增加，在傳感器創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、大學(xué)生挑戰(zhàn)杯、機械創(chuàng)新大賽、大學(xué)生工程訓(xùn)練大賽等賽事中成績優(yōu)異，先后獲得國家級獎項13項，省級獎項26項。參賽作品不少都與測試技術(shù)相關(guān)，如基于機器視覺的激光熔覆再制造系統(tǒng)、新型測螨儀、X-bond多方位環(huán)形探測機器人、新能源汽車火災(zāi)安全狀態(tài)早期探測預(yù)警系統(tǒng)、養(yǎng)殖場環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計、自供電可換氣帶雙攝像頭電焊面罩等等，這反映了學(xué)生對工程需求的關(guān)注、測試知識的轉(zhuǎn)化和科學(xué)創(chuàng)新的探索。此外，不少學(xué)生主動提出做與測試相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計題目，發(fā)揮知識掌握優(yōu)勢。由此可見，立足教、學(xué)、實踐、創(chuàng)新的課程教學(xué)改革重點，可以有效地提高課程教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

五 結(jié)語

在“新工科”教育背景下，高等教育中心從教師轉(zhuǎn)為學(xué)生，打破沉默的課程教學(xué)和僵化的課程考核體系，突出學(xué)生知識、能力和素質(zhì)的一體化培養(yǎng)，這既是當(dāng)前國際競爭新形勢和國家戰(zhàn)略的新需求，也是發(fā)展新經(jīng)濟(jì)的新要求。本文從機械工程測試技術(shù)課程構(gòu)成和教學(xué)中存在問題入手，從重塑課程內(nèi)容、改革實驗教學(xué)、改革教學(xué)方法、改革課程考核等幾個層面進(jìn)行課程教學(xué)改革。重塑的課程內(nèi)容有利于學(xué)生把握課程知識脈絡(luò)和塑造情感價值觀，虛實相濟(jì)的實驗環(huán)節(jié)有利于促進(jìn)學(xué)生知識理解和知識運用，多樣化的教學(xué)方法有利于學(xué)生互動思考和實踐創(chuàng)新，多元化的課程考核體系有利于反映學(xué)生綜合能力。課程的教學(xué)改革契合知識能力素質(zhì)的培養(yǎng)目標(biāo)，可為新時代高等教育的課程教學(xué)改革提供一定的參考。